Эффективность взаимодействия солнечного излучения с атмосферными составляющими и оптические методы мониторинга состава атмосферы, страница 3

Из этой системы уравнений легко определяются искомые концентрации, если только . Здесь a_l, b_l - сечения поглощения газов А и В соответственно. Чем сильнее различаются по величине приведенные отношения, тем точнее определяются искомые концентрации. На рис. 5.4 показан такой оптимальный выбор рабочих длин волн.

Если в кювете имеется больше компонент,  нужно взять больше длин волн для измерений и получить большее число уравнений для определения неизвестных концентраций. Так определяют общее содержание озона в атмосфере (см. разд. 11.3) и так определяют концентрацию приземного озона (см. разд. 11.6). В случаях многокомпонентной смеси основную трудность представляет задача выбора длин волн, чтобы обеспечить уверенное разделение компонент.

К активным методам дифференциального поглощения относится, в частности, весьма быстро развивающийся в последние годы метод лазерного зондирования атмосферы. 

Метод лазерного (лидарного) зондирования

Лидар – аббревиатура, составленная из начальных букв слов «Light Detection And Ranging», что буквально означает  детектирование света, пришедшего с различных расстояний. Идея метода заключается в регистрации отраженных различными слоями атмосферы мощных коротких импульсов лазерного излучения (рис. 5.5). Здесь речь идет не о настоящем отражении в привычном понимании. Просто излучение, распространяясь в среде, частично рассеивается, и часть рассеянного излучения распространяется в обратном направлении. Расстояние, на котором произошло рассеяние («отражение») регистрируемого в данный момент импульса легко определить по величине интервала времени между моментом испускания импульса излучения и моментом его регистрации. В частности, сигнал dS_l от слоя толщиной dx на расстоянии R от источника излучения приходит через 2R/c секунд после испускания импульса. Здесь  c- скорость света. Величина же сигнала зависит от эффективности рассеяния и степени ослабления излучения на пути от источника до «отражающего» слоя и обратно к приемнику излучения: , где n(R) – плотность (концентрация молекул) воздуха и σ_s(λ) – сечение обратного рассеяния (вероятность рассеяния фотона в обратном направлении) считаются известными. Меняя время задержки (то есть, R) можем получить зависимость оптической толщины ослабления излучения от расстояния  - t_l(R). Зная коэффициент поглощения излучения a_l и дифференцируя , находим зависимость концентрации поглотителя излучения от расстояния. В другой постановке при выборе длины волны излучения, которое не поглощается при распространении, можно найти зависимость сечения обратного рассеяния от расстояния. Именно в такой постановке метод используется для исследования характеристик атмосферных аэрозолей. Наконец, по незначительным изменениям длины волны регистрируемого излучения (допплеровское смещение) удается судить о скорости движения воздуха на высоте зондирования. Лидар также используется для определения высоты облаков.

Основные проблемы при использовании метода - интерференция (наложение) эффектов от различных поглотителей и зависимость s_s(R), а также технические сложности и проблемы математической обработки. Более детально эффекты наложения рассмотрены выше на примере «традиционного» применения метода дифференциального поглощения. Методы лидарного зондирования в последние годы получили очень широкое распространение для анализа распределения загрязнений  приземного воздуха, тропосферных и стратосферных аэрозолей, вертикального распределения концентрации стратосферного озона, высоты облаков и пр. Разработаны методики и аппаратура для проведения измерений не только с наземных станций, но и с борта самолета или космического аппарата. К сожалению, серьезные технические и методологические проблемы в большинстве случаев до сих пор не позволяют обеспечить метрологическую точность лидарных измерений.